2014年初許昌市兩次持續(xù)性大霧天氣過程分析

馬 昕

(許昌市氣象局,河南許昌 461000)

2014年初許昌市兩次持續(xù)性大霧天氣過程分析

馬 昕

(許昌市氣象局,河南許昌 461000)

利用常規(guī)氣象資料和NECP1°×1°再分析資料對2014年1月14—18日和1月30日—2月2日兩次持續(xù)性大霧天氣過程進行了診斷分析。結(jié)果表明：兩次過程均存在平流霧、輻射霧以及平流-輻射霧,高空冷空氣入侵南下是兩次大霧天氣結(jié)束的原因；大霧期間,高空環(huán)流形勢較為穩(wěn)定,地面氣壓梯度較小,大氣層結(jié)存在不同程度的逆溫,有上干下濕的特征；當(dāng)有輻射霧出現(xiàn)時,地面受均壓場控制,風(fēng)速為1～3m/s,整層均為西北氣流；有平流霧時,地面受單一氣壓場控制,風(fēng)速為4～6m/s,特別是低層存在暖濕氣流的輸送,近地面存在弱輻合上升,對流層中層存在弱輻散下沉；能見度與溫度露點差基本存在同位相變化,與相對濕度存在顯著的反位相變化。

持續(xù)性大霧天氣；平流霧；輻射霧；要素特征；許昌市

霧是近地面空氣中懸浮的大量水滴或冰晶微粒的乳白色集合體,當(dāng)水平能見度≤1km時稱為霧。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提高,城市大氣污染加劇,大氣中氣溶膠粒子增多,并聚集在近地面層,大部分氣溶膠粒子成為霧滴的凝結(jié)核,使得霧滴密度增大[1]；另一方面,大霧又加劇城市的大氣污染,對工業(yè)、農(nóng)業(yè)和人類身體健康等造成重大影響。大霧作為一種災(zāi)害性天氣一直受到廣泛關(guān)注,對于大霧生消機理、演變規(guī)律和預(yù)報技術(shù)的研究有不少成果。李子華等[2]、宋潤田等[3]針對大霧不同發(fā)展階段溫、壓、風(fēng)及濕度條件,在霧的邊界層結(jié)構(gòu)和物理特性上進行了較為詳盡的分析,揭示出冬季霧生消的重要特點。王麗榮等[4]通過對河北中南部大霧天氣的分析,指出與穩(wěn)定度有關(guān)的物理量場變化對大霧天氣有一定的指示意義。張新榮等[5]指出大氣低層暖平流、大氣層結(jié)的相對穩(wěn)定及充沛的水汽條件對中國東部大范圍大霧的產(chǎn)生有重要作用。

2014年1月14—18日、1月30日—2月2日許昌市兩次出現(xiàn)持續(xù)性大霧天氣,給交通運輸帶來了嚴(yán)重影響。本文利用高空、地面觀測資料及NCEP1°×1°再分析資料,從大氣環(huán)流形勢、地面氣象要素、高空溫、濕度層結(jié)等方面進行對比分析,以期對今后大霧天氣過程的預(yù)報提供參考。

1 天氣過程概述

2014年1月14—18日(簡稱“過程1”,下同)和1月30日—2月2日(簡稱“過程2”,下同)兩次大霧天氣過程分別持續(xù)了5d和4d,從大霧出現(xiàn)時間及能見度統(tǒng)計來看, “過程1”中,15日能見度在50m以下,達到大霧紅色預(yù)警級別,其余4d能見度為100～600m,其中2d達到大霧橙色預(yù)警級別,1d達到大霧黃色預(yù)警級別；“過程2”中除30日能見度在500m以上,其余3d均在150m以下,均達到大霧橙色預(yù)警級別。

從大霧出現(xiàn)、消散和持續(xù)時間來看,“過程1”的大霧均在20時后形成,上午10時逐漸消散,14日至18日分別持續(xù)了8、15、4、10、12h；“過程2”中,1月30日的大霧在05時出現(xiàn),08時結(jié)束,持續(xù)3h；1月31日02時至2月1日07時大霧持續(xù)出現(xiàn),共持續(xù)了29h；2月2日的大霧在23時形成,上午11時結(jié)束,持續(xù)12h。

根據(jù)宋潤田等[3]對輻射霧和平流霧的劃分標(biāo)準(zhǔn),輻射霧多形成于輻射冷卻達到最大時,即后半夜至次日日出前,其成霧時的溫度t低于前一日20時的地面露點溫度td(20),即Δt=t-td(20)≤0；平流霧成霧時Δt=t-td(20)≥0。參考當(dāng)日的天氣現(xiàn)象、天空狀況和總云量 (N),當(dāng)伴有層云、碎雨云和毛毛雨等天氣或N≥8,即空中有8成以上云時可判定為平流霧；當(dāng)Δt＞0且N＜8時,可判定為平流-輻射霧[6]。根據(jù)以上判據(jù)可判定“過程1”中,14日和15日為平流霧, 16日和17日為輻射霧,18日為平流-輻射霧；“過程2”中,1月30日為輻射霧,31日和2月1日為平流霧,2月2日為平流-輻射霧。

2 環(huán)流形勢分析

2.1 高空形勢

“過程1”的持續(xù)性大霧出現(xiàn)前,13日08時500hPa高空極渦不斷分裂冷空氣,并在里海附近聚集,歐亞中高緯不斷有低槽分裂東移,許昌處在東北低槽后強盛的西北氣流中,環(huán)流形勢比較穩(wěn)定；中層700hPa形勢與高層較為一致,只是西北氣流偏弱；850hPa以下,河南省上空西北氣流逐漸轉(zhuǎn)為西南氣流控制；925hPa鄭州站和南陽站上空的偏南風(fēng)逐漸增強。20時925hPa風(fēng)速較08時增大了4m/s,偏南暖濕氣流持續(xù)增強,為平流霧的形成提供了較好的水汽條件,這種穩(wěn)定的環(huán)流形勢一直持續(xù)到15日08時。15日20時,受河套地區(qū)低槽東移影響,許昌上空已經(jīng)全部轉(zhuǎn)為西南氣流,同時低槽迅速北縮東移,16日08時,許昌上空又再次轉(zhuǎn)為西北氣流控制,偏南風(fēng)暖濕輸送遭受破壞,平流霧轉(zhuǎn)為輻射霧。17日20時許昌上空仍受西北氣流控制,低層850～925hPa逐漸轉(zhuǎn)為弱偏西氣流, 925hPa上南陽站溫度露點差由21℃降低為8℃,有弱暖濕氣流輸送,18日出現(xiàn)了平流-輻射霧。19日08時,里海附近冷渦分裂的低槽攜帶冷空氣東移影響許昌,中低層偏北風(fēng)加大,穩(wěn)定的環(huán)流形勢受到破壞,大霧過程結(jié)束。

“過程2”大霧天氣出現(xiàn)前,高空環(huán)流形勢與“過程1”形勢相似,500hPa里海和鄂霍次克海附近分別有一低槽,許昌處于鄂霍次克海附近低槽后部的西北氣流中,1月29日白天許昌上空整層均為西北氣流,強烈的輻射冷卻使30日上午出現(xiàn)了輻射霧。夜間,700hPa甘肅中部—四川盆地的低槽緩慢東移影響許昌,許昌上空逐漸轉(zhuǎn)受西南氣流影響,天空云量增多,輻射霧轉(zhuǎn)為平流-輻射霧。由于低槽移動緩慢,1月31日—2月1日出現(xiàn)了持續(xù)29h的大霧天氣。2月1日08時低槽東移,20時受西北氣流影響,夜間再次有南支淺槽東移影響許昌,2日許昌出現(xiàn)了平流-輻射霧。3日08時高層冷空氣逐漸南下影響許昌,穩(wěn)定的天氣形勢被破壞,大霧過程結(jié)束。

分析可見,大霧期間高空的環(huán)流形勢較為穩(wěn)定,許昌上空500hPa一般為西北氣流控制；當(dāng)?shù)蛯右矠槲鞅睔饬鲿r,強烈的輻射冷卻造成水汽凝結(jié)形成了輻射霧,而當(dāng)?shù)蛯佑形髂吓瘽駳饬鬏斔蜁r形成了平流霧；兩次持續(xù)性大霧天氣均由高空冷空氣入侵南下破壞穩(wěn)定的環(huán)流形勢而結(jié)束。

2.2 地面形勢

“過程1”中新疆地區(qū)北部—蒙古國的強大冷高壓一直存在,其中心強度維持在1050hPa以上。14—15日許昌均受強冷高壓分裂出的弱冷高壓影響,16—17日轉(zhuǎn)為均壓場控制；18日又再次轉(zhuǎn)為弱冷高壓控制,至冷空氣逐漸擴散控制許昌時大霧結(jié)束。“過程2”中,1月30日許昌處于華北冷高壓前的均壓場中,31日河套地區(qū)存在一穩(wěn)定低壓,許昌位于低壓東側(cè),同時東北地區(qū)的冷高壓不斷南壓擴散弱冷空氣,冷暖空氣的持續(xù)交匯,造成了大霧天氣持續(xù)出現(xiàn)了29h。2月1日河套低壓東移,許昌逐漸轉(zhuǎn)受新疆北部蒙古境內(nèi)強大冷高壓前的均壓場控制,2日冷空氣繼續(xù)向南擴散,3日冷鋒到達許昌,大霧天氣結(jié)束。

分析可見,大霧發(fā)生在氣壓梯度較小的區(qū)域(均壓場、弱高壓區(qū)、弱低壓區(qū)等),當(dāng)出現(xiàn)輻射霧時,許昌主要受均壓場控制,如1月16—17日和30日；而出現(xiàn)平流霧時,許昌主要受單一的氣壓場控制,如1月14—15日和2月1日。

3 地面氣象要素變化特征分析

3.1 風(fēng)場

“過程1”中,14—15日平流霧期間,近地層風(fēng)向均為東南風(fēng),風(fēng)速為4m/s左右,有利于暖濕空氣向霧區(qū)輸送,在濃霧期間風(fēng)速有所減弱(如15日01時能見度為118m時,風(fēng)速為1.2m/s, 02時能見度降到78m,風(fēng)速為0.7m/s),風(fēng)速的減弱有利于大氣降溫和濃霧的維持。16—17日輻射霧時風(fēng)速明顯較前期減弱,為1～3m/s,這樣可產(chǎn)生適度的垂直湍流,加厚近地面層的輻射冷卻,使逆溫層不斷增厚。“過程2”中,30日地面風(fēng)為2～3m/s,31日—2月1日風(fēng)速增大到4～6m/s,符合當(dāng)?shù)剌椛潇F和平流霧出現(xiàn)時的一般風(fēng)速要求[7]。

3.2 溫度露點差、相對濕度

“過程1”大霧期間,14日02時能見度為1400m,溫度露點差為2.2℃；隨著大霧的出現(xiàn),03時能見度下降至700m,溫度露點差下降為1.3℃；隨著大霧的增強,07時能見度降低為100m,溫度露點差也降至0.6℃；上午10時大霧消散,能見度升高到1000m,溫度露點差也增大到0.8℃。15日大霧再一次增強,能見度均在500m以下,其中連續(xù)幾小時能見度不及100m,溫度露點差在0.5℃左右。對照大霧出現(xiàn)時的能見度與溫度露點差,發(fā)現(xiàn)兩者基本呈同位相的變化趨勢,且平流霧(14—15日)時,平均能見度為500m,溫度露點差平均為0.6℃；輻射霧(16—17日)時,平均能見度為750m,溫度露點差平均為1.5℃；混合霧(18日)時平均能見度和溫度露點差平均值均位于兩者之間。選取14日平流霧與17日輻射霧時,逐時能見度與溫度露點差對比分析,結(jié)果見圖1、圖2。“過程2”逐時能見度與溫度露點差的關(guān)系,與 “過程1”類似。

圖1 2014-01-14平流霧期間逐時能見度與溫度露點差對比

圖2 2014-01-17輻射霧期間逐時能見度與溫度露點差對比

大霧發(fā)生時,地面相對濕度均在90%以上,非大霧時段相對濕度均低于70%[8]。通過逐小時相對濕度與能見度的變化可知,兩者具有顯著的反位相變化(圖略),即能見度愈小,相對濕度愈大。

4 高空氣象要素變化特征分析

4.1 溫度層結(jié)

逆溫層是大霧預(yù)報的關(guān)鍵條件之一。選用鄭州站高空觀測資料作為代表 (許昌無高空測站)進行逆溫層厚度和強度與許昌站能見度的分析。

表1 2014年1月鄭州站逆溫層厚度、強度及許昌站能見度

從表1可以看出,當(dāng)出現(xiàn)大霧天氣時,大氣均存有不同程度的逆溫層,且逆溫層的穩(wěn)定存在對大霧的形成及維持非常有利[9]。1月14日08時—15日08時,逆溫層厚度在20hPa左右,逆溫強度由0.05℃/hPa逐漸增大至0.25℃/ hPa,15日凌晨出現(xiàn)了能見度不足100m的大霧。當(dāng)出現(xiàn)輻射霧時,逆溫層的高度一般較低,如1月16—17日,逆溫層最低層在1000hPa左右,距地不足1km,逆溫強度也較弱；當(dāng)出現(xiàn)平流霧時,逆溫層高度較高,如1月14—15日,逆溫層高度為925～807hPa,也就是距地1～ 3km。對比分析 “過程2”同樣有逆溫層的存在,在此不再贅述。

4.2 濕度層結(jié)

從許昌站高空相對濕度隨時間 (使用NECP1°×1°再分析資料)變化序列圖可以看出,“過程1”中(圖3),14日高空850hPa以上相對濕度均小于50%,以下相對濕度逐漸增大,呈現(xiàn)出上干下濕的特征；15日低槽過境,西南氣流增強,高層相對濕度隨之增大,隨著低槽北縮東移,大霧結(jié)束前700hPa以下均存有上干下濕的特征。“過程2”中同樣存在一次低槽過境,相對濕度在1月31日20時達到最大值,其余時刻也呈現(xiàn)出上干下濕的狀態(tài),這說明水汽在低層的匯聚,有利于大霧的形成與維持[10]。

圖3 2014-01-14—19許昌上空相對濕度/%隨時間變化

4.3 風(fēng)場及垂直速度

由許昌站垂直風(fēng)場隨時間變化圖 (圖4a)可以看出,大霧期間(14—18日)900hPa以下風(fēng)速維持在2m/s,850hPa風(fēng)速在2～4m/s,低層風(fēng)速可以使水汽垂直輸送到一定高度,有利于形成一定厚度的霧,18日之后整層風(fēng)力加大(大于4m/s)大霧趨于消散。

14日20時—15日20時,500～700hPa盛行西風(fēng)和西北風(fēng),1000hPa東南風(fēng)逐漸順轉(zhuǎn)為800hPa左右的西南風(fēng),存在弱的暖平流；結(jié)合垂直速度時間變化圖(圖4b),14—15日850hPa以上存0.2Pa/s的下沉運動中心,近地面層為弱的上升運動,這種近地面弱輻合上升氣流和對流層弱輻散下沉氣流形成對峙[11],使大霧加強和維持。16—17日的輻射霧期間,垂直方向上不存在明顯的風(fēng)向順轉(zhuǎn)關(guān)系,也就沒有暖濕氣流輸送。分析其它時次,高空各層垂直速度也不強,說明有大霧期間大氣層結(jié)較為穩(wěn)定。

圖4 2014-01-14—19日許昌市高空風(fēng)場(單位為m/s,a)和高空垂直速度場(單位為Pa/s,b)

“過程2”中的高空風(fēng)場形勢 (圖略)與“過程1”很相似,1月30日輻射霧時整層為西北氣流,30日20時低槽過境時風(fēng)向由底層開始向中層順轉(zhuǎn),且有-0.3Pa/s上升運動中心,轉(zhuǎn)為長時間的平流霧。“過程2”同樣是以偏北干冷風(fēng)的加大而結(jié)束。

5 小結(jié)

(1)兩次持續(xù)性大霧過程均有平流霧、輻射霧及平流-輻射霧,均由于高空冷空氣南下而結(jié)束。

(2)大霧期間,高空環(huán)流形勢比較穩(wěn)定,地面氣壓梯度較小,大氣層結(jié)存在不同程度的逆溫,具有上干下濕的特征；平流霧出現(xiàn)時,許昌上空有暖濕氣流的輸送,近地面有弱輻合上升,對流層中層有弱輻散下沉,地面受單一的氣壓場控制,風(fēng)速為4～7m/s；輻射霧出現(xiàn)時,許昌上空整層為西北氣流,地面受均壓場控制,風(fēng)速為1～3m/s。

(3)大霧出現(xiàn)時能見度與溫度露點差基本存有同位相的變化,而與相對濕度存有顯著的反位相變化。

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P458.11

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馬昕.2014年初許昌市兩次持續(xù)性大霧天氣過程分析[J].陜西氣象,2015(4)：5-9.

1006-4354(2015)04-0005-05

2015-04-06

馬昕(1990—),女,河南許昌人,碩士,助理工程師,主要從事天氣預(yù)報及應(yīng)用氣象服務(wù)。

河南省科技發(fā)展計劃項目(122102310583)；許昌市科技發(fā)展計劃項目(1103009)